本期目录
前沿创新
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带消极动量的自适应步长随机方差缩减方法
- 刘海, 郭田德, 韩丛英
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2024, 41 (5):
577-588.
DOI: 10.7523/j.ucas.2024.024
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摘要 (
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近年来, 随机方差缩减类方法在解决大规模机器学习问题中取得很大成功, 自适应步长技术的引入减轻了该类方法的调参负担。针对自适应步长的方差缩减算法SVRG-BB, 指出其算法设计带来了“进展-自适应步长有效性”的权衡问题。因此引入Katyusha动量以更好地处理该权衡问题, 并且在强凸假设下证明由此得到的SVRG-BB-Katyusha算法的线性收敛性质。之后基于“贪婪”思想, 提出稀疏地使用Katyusha动量的SVRG-BB-Katyusha-SPARSE算法。在公开数据集上的数值实验结果表明，提出的2个改进算法较SVRG-BB有较稳定的优势, 即在达到一定外循环数时优化间隙有若干个数量级的减小。
物理学
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孔隙介质方腔内自然对流的动力学演化
- 张连平, 王世民
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2024, 41 (5):
589-603.
DOI: 10.7523/j.ucas.2022.077
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摘要 (
271 )
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流体饱和孔隙介质腔体内的自然对流是非线性流体动力学研究的经典问题。受早期计算条件限制，前人研究主要侧重于中心对称对流模态的时空演化动力学机制，不能完整刻画实际孔隙自然对流系统中包含全部对流模态的动力学行为，因而无法直接应用于实际工程。基于伽辽金法和配点伪谱法数值模拟底部加热的孔隙介质方腔内模态完备的二维自然对流，首次得到自然对流从发生到走向混沌的完整动力学演化路径。模拟结果揭示，随着Ra从4π2单调增加到1 200，自然对流演化历经21个不同阶段(包括1个稳态对流阶段、6个单频振荡阶段、9个准周期振荡阶段、2个锁频共振阶段和3个非周期混沌振荡阶段)。对流模态的空间变化与时间振荡是对流形态反复发生交替的根本原因。采用时间序列、功率谱、相图和洛伦兹映射4种作图方法，系统对比Nu表征的计算热流作单频、准周期、锁频和混沌振荡的不同特征。计算平均热流和振荡主频随Ra的变化可由简单的解析公式拟合(在很宽的Ra区间内近似服从经典边界层标度律)，为相应条件下实际工程设计和应用提供了便捷的计算工具。
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单晶金刚石的动态摩擦抛光
- 张浩晨, 徐锴, 燕增宇, 宋志朋, 陈广超
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2024, 41 (5):
604-611.
DOI: 10.7523/j.ucas.2023.003
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摘要 (
276 )
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在众多单晶金刚石抛光方法中，动态摩擦抛光(DFP)因其具有极高的去除速率而受到广泛关注。研究DFP过程中3种抛光参数(抛光载荷、抛光时间和抛光盘线速率)以及3种夹持方式(粘接式、镶嵌式和卡钳式)对单晶金刚石抛光效果的影响。结果表明：增大抛光载荷、抛光时间和抛光盘线速率，都会导致样品的质量损耗增加和表面粗糙度降低，并提升金刚石(400)面的衍射峰强度。在3种夹持方法中，粘接式夹持的去除速率最快，最高可达25.2 nm/h，镶嵌式夹持最慢，卡钳式夹持介于前二者之间。定义一个抛光评价参量K：K=ΔRa/Δm，即单位材料损耗量下获得的表面粗糙度改善。根据K值的变化，可将DFP过程划分为以“粗糙度改善”为主和以“质量损耗”为主的2个阶段，前者K值高于后者。抛光参数中，增加抛光盘线速率可以单调提高K值，而抛光载荷和抛光时间对K值存在复杂影响。
环境科学与地理学
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长江正源当曲流域夏季高寒湿地信息遥感分类提取
- 谢婉蓉, 刘少创, 吴运佳, 张烁
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2024, 41 (5):
625-635.
DOI: 10.7523/j.ucas.2023.031
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摘要 (
211 )
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当曲作为长江正源，其流域内覆盖着成片的高寒湿地。由于早年在江源定位上存在的争议及自然环境恶劣科考困难，当曲流域未能受到广泛关注，湿地研究工作薄弱，在高分辨率湿地分类研究上仍处于空白。基于2020年8月19日的Sentinel-2B影像(10 m分辨率多光谱数据)，采用面向对象特征的分层分类法，对当曲流域各类别高寒湿地的信息进行提取，结合研究区地表形态、质地等对湿地的水平及垂直分布规律进行总结。结果表明：1)当曲流域高寒湿地共分为3个一级类和9个二级类，总面积为3 364.74 km2。其中主体部分为沼泽湿地，分布面积达2 908.94 km2，占湿地总面积的86.45%，河流湿地和湖泊湿地面积相近，分别为269.28 km2和186.52 km2。除高寒湿地外，流域内覆盖有永久冰川积雪，分布面积为107.17 km2。2)当曲流域内湿地在水平分布上总体呈现东南多西北少的特点，主要集中于丘陵环绕的平滩或地势低缓、排水不畅的汇流地带，以及阴坡山脚地区。3)高寒湿地在垂直方向上的分布以海拔4 650～5 100 m为主，随着地势升高湿地资源逐渐减少，海拔5 400 m以上为冰川积雪集中覆盖区，几乎无高寒湿地分布。
电子信息与计算机科学
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基于滤光片转轮式多光谱相机的辐射校正
- 刘扬, 方俊永, 刘学, 王潇, 张晓红
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2024, 41 (5):
636-643.
DOI: 10.7523/j.ucas.2022.083
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摘要 (
266 )
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针对近地面多光谱影像获取方式单一、波段配准及数据定量化等问题，介绍一款可野外连续工作、操作简单、波段易配准的自研滤光片转轮式多光谱相机，并通过实验室内高精度积分球完成相对辐射校正和绝对辐射定标。采用多级亮度定标法和经验线性法建立校正模型，对多光谱相机多波段响应不均问题进行校正，并标定计算得到入瞳处的波谱辐射亮度。设计了不同亮度、不同积分时间的数据采集和处理实验，给出这款新相机各波段的最优积分时间范围。辐射校正和定标结果显示，所选校正系数对不同成像条件的多光谱影像具有高度的稳定性和可靠性，适合滤光片转轮式多光谱相机的辐射校正，定标结果可用于定量反演地表的目标参量，在农作物监测、环境监测与保护等领域具有广阔的应用前景。
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基于MFF-Deeplabv3+网络的高分辨率遥感影像建筑物提取方法
- 陈经纬, 李宇, 陈俊, 张洪群
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2024, 41 (5):
654-664.
DOI: 10.7523/j.ucas.2023.010
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摘要 (
475 )
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为提升高分辨率遥感影像中建筑物提取的精度，提出一种基于MFF-Deeplabv3+(multiscale feature fusion-Deeplabv3+)网络的高分辨率遥感影像建筑物提取方法。首先，设计多尺度特征增强模块，使网络能够捕获更多尺度的上下文信息；然后，设计特征融合模块，有效融合深层特征与浅层特征，减少细节信息的丢失；最后，引入注意力机制模块，自适应地选择准确特征。在Inria建筑物数据集的对比实验中，MFF-Deeplabv3+在PA、MPA、FWIoU、MIoU指标中取得最高精度，分别为95.75%、91.22%、92.12%和85.01%，同时在WHU建筑物数据集的泛化实验中取得不错的结果。结果表明，本方法在高分辨率遥感影像中提取建筑物信息精度较高，且具有较好的泛化性。
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一种基于点云配准的空间非合作目标相对位姿估计算法
- 郭素婕, 郭崇滨
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2024, 41 (5):
677-686.
DOI: 10.7523/j.ucas.2023.027
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摘要 (
341 )
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针对空间机器人在轨维修等任务中的非合作目标位姿估计问题，提出一种基于点云配准的空间非合作目标位姿估计算法。在粗配准阶段，利用复合滤波算法保留点云外形并降低点云密度，通过主成分分析法求出特征向量，建立特征向量变换关系，利用RANSAC算法检验匹配效果。在精配准阶段，使用基于改进ICP算法的精配准算法，求出旋转矩阵和平移矩阵，得到位姿估计值。采用经旋转平移变换和高斯噪声处理的6组数字卫星点云模型进行点云配准性能验证，并利用TOF相机采集的卫星缩比模型点云进行位姿估计算法验证。经验证，算法的姿态角测量误差小于0.4°，位移测量误差小于3 mm，是一种针对空间相对位姿测量问题的抗噪性能更好、鲁棒性更高的有效解决手段。
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基于数据与压缩率预测的空间机器人集群中心节点选择策略
- 杨晅, 陈宏宇
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2024, 41 (5):
695-704.
DOI: 10.7523/j.ucas.2023.007
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摘要 (
134 )
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近年来，空间机器人集群方式的在轨服务技术受到各航天大国的重视。空间机器人集群对目标航天器进行在轨服务时，要将收集的目标信息传输至中枢卫星，如何均衡集群中每个节点的通信功耗是一个重要的研究问题。针对空间机器人集群与数据中枢卫星之间的通信功率最优问题，提出一种基于数据及其压缩率预测的空间机器人集群中心节点选择算法(DCP)。由于集群通信中的通信功耗主要与通信距离和通信时长 (数据量) 有关，可以基于集群的运动轨迹预测未来时刻的数据和压缩率，从而选择最优的集群中心节点，构建通信链路。在实验仿真中，与固定中心算法、度中心性算法、介数中心性算法以及接近中心性算法相比，DCP算法可以有效降低集群通信功耗，并且与实际的最优结果相比误差小于3%。
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基于GAN反演的无缝图像补全技术
- 喻永生, 罗铁坚
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2024, 41 (5):
705-714.
DOI: 10.7523/j.ucas.2022.075
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摘要 (
539 )
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图像补全技术广泛应用于对象消除、媒体编辑，旨在平滑地恢复受损图像。基于生成对抗网络(GAN)反演将预训练的GAN模型作为有效先验，以真实的合成材质填充缺失区域。然而，现有GAN反演方法忽视了图像补全是具有硬约束的生成任务，使拼接图像有颜色、语义的不连续问题。针对此问题设计新的双向感知生成器和预调制网络来无缝地补全图像，其中双向感知生成器充分利用扩展隐藏空间，帮助模型从数据表征层面感知输入图像的非缺失区域，预调制网络利用多尺度结构进一步为风格向量提供判别性更强的语义。在Places2和CelebA-HQ数据集上进行实验，结果表明该方法不仅搭建GAN反演和图像补全之间的桥梁，而且优于目前主流算法，在FID指标上降低49.2%。
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